基于ＤＳＰ的經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)探討

李永虎　夏風(fēng)林　蔣高明

文章提出一種經(jīng)編用的基于DSP電子橫移系統(tǒng)。以DSP控制器為控制核心，工控機(jī)為系統(tǒng)支持，交流位置伺服系統(tǒng)和滾珠絲杠為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，光柵反饋裝置為檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)編機(jī)電子橫移的準(zhǔn)確執(zhí)行和花型變換、參數(shù)修改的快速完成，希望能為國(guó)內(nèi)經(jīng)編機(jī)的機(jī)械式梳櫛橫移機(jī)構(gòu)向電子梳櫛橫移機(jī)構(gòu)的改造提供一定的理論支持。

In this paper, the authors put forward electronic lapping system on warp knitting machine based on DSP. As for the system, the authors used DSP controller for core control, IPC for support system, AC position servo systems and ball screw for executing agency, and grating feedback device for detection device, which realized accurate implementation of electronic lapping system, rapid completion of patterning transformation and modifying parameters.

近 10 年來(lái)，國(guó)外經(jīng)編機(jī)的自動(dòng)化水平有了明顯的提高，在新型經(jīng)編機(jī)上普遍采用了自動(dòng)化技術(shù)，尤其是現(xiàn)在許多先進(jìn)的新型經(jīng)編機(jī)都已采用了電子橫移系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有花型變化快、操作方便等優(yōu)勢(shì)，但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還不夠深入。本文將對(duì)一種基于DSP的電子橫移系統(tǒng)進(jìn)行研究，以便為國(guó)內(nèi)經(jīng)編機(jī)用電子梳櫛橫移機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與性能優(yōu)化提供一定的理論支持。

1經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)的工藝

要求

經(jīng)編機(jī)主軸一轉(zhuǎn)，進(jìn)行針前、針背兩次橫移，在導(dǎo)紗針進(jìn)入針平面和離開(kāi)針平面的這段時(shí)間內(nèi)，梳櫛不允許橫移。這樣，橫移運(yùn)動(dòng)必須實(shí)現(xiàn)“運(yùn)動(dòng) – 停止 – 運(yùn)動(dòng)”的反復(fù)過(guò)程，這對(duì)電子橫移系統(tǒng)提出了很高的要求。

1.1高定位精度

經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)要求高精度的定位，主要由橫移距離小決定的。根據(jù)不同的機(jī)號(hào)，橫移的距離是不同的。以RSE5 EL型、機(jī)號(hào)E32的經(jīng)編機(jī)為例，每一針距的橫移量為0.793 75 mm，除去容紗間隙，則針間多余的間隙只有 0.057 mm?？梢?jiàn)，經(jīng)編機(jī)的橫移運(yùn)動(dòng)要求很高，不僅每一次橫移要求運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，而且在數(shù)次橫移后不允許產(chǎn)生累積誤差。橫移運(yùn)動(dòng)不準(zhǔn)確會(huì)使紗線表面產(chǎn)生毛羽，影響布面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生撞針等現(xiàn)象。

1.2高響應(yīng)速度

由于梳櫛橫移時(shí)間極短、頻率很高，所以電子橫移要有很高的響應(yīng)速度。經(jīng)編機(jī)一個(gè)成圈過(guò)程中允許針前橫移的角度一般在 44°左右，時(shí)間只有幾毫秒到幾十毫秒。

1.3高穩(wěn)定性

電子橫移系統(tǒng)的高定位精度和高響應(yīng)速度，且梳櫛橫移在導(dǎo)紗針進(jìn)入和離開(kāi)針平面的這段時(shí)間內(nèi)不允許橫移，針前和針背橫移的時(shí)間極短，這些就要求其在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過(guò)程中要有很高的穩(wěn)定性。

2經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)的控制

原理

經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)的整體控制原理如圖 1 所示。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，一般首先由花型設(shè)計(jì)系統(tǒng)（經(jīng)編CAD）進(jìn)行花型設(shè)計(jì)與效果仿真，設(shè)計(jì)完成的花型通過(guò)USB接口從上位機(jī)輸入織物的花型信息，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過(guò)CAN總線與橫移運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，將橫移的信息存貯到控制卡上，再?gòu)闹鬏S信號(hào)裝置上得到橫移使能的信號(hào)。當(dāng)織針可以進(jìn)行針前或針背橫移時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡接收到主軸光電編碼器的位置信號(hào)，并向伺服驅(qū)動(dòng)器按一定的頻率發(fā)送脈沖/方向的指令脈沖信號(hào)，由此來(lái)決定橫移量和橫移的速度，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)而經(jīng)過(guò)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)橫移運(yùn)動(dòng)。由電機(jī)內(nèi)置編碼器將電機(jī)位置轉(zhuǎn)換為位置脈沖信號(hào)，傳送至伺服驅(qū)動(dòng)器作為半閉環(huán)反饋的信號(hào)；橫移的實(shí)際位置由光柵反饋裝置進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)動(dòng)控制卡將檢測(cè)到的位移和命令位移進(jìn)行比較和誤差的補(bǔ)償，這樣就構(gòu)成了一個(gè)全閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而保證橫移的精度。

3經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)的硬件

結(jié)構(gòu)

3.1上位機(jī)

上位機(jī)主要由工控機(jī)和觸摸屏組成。工控機(jī)的作用是接受來(lái)自橫移控制卡和CAN卡線上各伺服控制器的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理后向控制卡發(fā)送指令脈沖，通過(guò)觸摸屏完成對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)、顯示、花型新建、修改、加載和參數(shù)設(shè)定等。

3.2電子橫移控制卡

橫移控制卡接受CAN卡線的通訊、主軸位置信號(hào)和橫移使能信號(hào)，并根據(jù)墊紗數(shù)碼等花型信息經(jīng)調(diào)節(jié)和變換后發(fā)出脈沖信息，以使驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按照工藝要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

電子橫移系統(tǒng)要達(dá)到很高的響應(yīng)速度，因而選用了高性能的DSP控制器作為橫移控制卡的控制核心。DSP微處理器每秒 3 000 萬(wàn)條指令的處理速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的 16 位控制器和微處理器的性能，其控制模式如圖2 所示。上位機(jī)花型信息、主軸信號(hào)、橫移使能信號(hào)分別進(jìn)入DSP控制器的CAN控制、正交編碼器控制和I/O控制后，這 3 種信號(hào)（位置信號(hào)）先存儲(chǔ)于DSP的存儲(chǔ)器內(nèi)。而后，位置信號(hào)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號(hào)（PWM），即一系列脈寬不斷變化的脈沖，這些脈沖在幾個(gè)有固定長(zhǎng)度的周期內(nèi)展開(kāi)，每個(gè)周期內(nèi)有一個(gè)脈沖。位置信號(hào)的傳輸速度很快，為了保證橫移的精度，需要對(duì)指令脈沖和反饋脈沖數(shù)進(jìn)行比較。

脈沖的反饋通過(guò)DSP控制器的QEP模塊進(jìn)行，QEP模塊對(duì)光柵反饋裝置檢測(cè)到的位移信號(hào)進(jìn)行采集，將光柵產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號(hào)a、b輸入到DSP控制器的QEP引腳。QEP1和QEP2分別用來(lái)接光柵反饋裝置的脈沖信號(hào)a、b，它們作為反饋脈沖定時(shí)器 T2 的時(shí)基。定時(shí)器 T2 對(duì)a、b脈沖的每個(gè)上升和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，每來(lái) 1 個(gè)上升沿或下降沿時(shí)，T2 的計(jì)數(shù)器就加 1 或減 1 計(jì)數(shù)。反饋脈沖個(gè)數(shù)用CAP3模塊來(lái)捕獲，它和捕獲驅(qū)動(dòng)信號(hào)T1PWM（采樣周期 T1 內(nèi)T1PWM 引腳上產(chǎn)生的跳變信號(hào)），當(dāng)CAP3 引腳上出現(xiàn)跳變時(shí)，就將 T2 定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與指令脈沖計(jì)數(shù)器 T3 在同一采樣周期 T1 內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng)運(yùn)算和補(bǔ)償后得到一定的電壓給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將電機(jī)位置遞增到命令位置來(lái)糾正位置誤差，以實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)梳櫛的準(zhǔn)確橫移。

3.3交流伺服系統(tǒng)

3.3.1 交流伺服及其控制模式

交流伺服系統(tǒng)有速度模式、位置模式和轉(zhuǎn)矩模式等3種模式，在經(jīng)編機(jī)電子橫移控制系統(tǒng)中，無(wú)法通過(guò)速度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位，而在轉(zhuǎn)矩模式下軟件的實(shí)現(xiàn)顯得特別復(fù)雜，因此采用位置模式來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的位置定位。

在電子橫移系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出指令給交流伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)一定計(jì)算后給交流伺服電機(jī)以一定的電壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)再通過(guò)電機(jī)內(nèi)置的編碼器向伺服驅(qū)動(dòng)器反饋脈沖，這樣就在伺服控制系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證了系統(tǒng)的可靠性。

3.3.2電子齒輪的設(shè)置

在位置控制模式下，運(yùn)動(dòng)控制卡向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的指令脈沖信號(hào)包含了電機(jī)運(yùn)動(dòng)的位置和方向信號(hào)，當(dāng)指令脈沖當(dāng)量與位置反饋脈沖當(dāng)量不一致時(shí)，就必須采用電子齒輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得指令脈沖當(dāng)量與反饋脈沖當(dāng)量一致。指令脈沖的頻率決定了電機(jī)的速度，指令脈沖的個(gè)數(shù)決定了電機(jī)的位移。當(dāng)指令脈沖的個(gè)數(shù)和方向一定時(shí)，可以通過(guò)伺服電機(jī)電子齒輪的功能來(lái)對(duì)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制。

用以下方式對(duì)電子齒輪的齒數(shù)比進(jìn)行設(shè)置：設(shè)梳櫛橫移一針距的距離為Pb（mm），電機(jī)編碼器的分辨率Pt（脈沖/r），并經(jīng) 4 倍頻使用，則反饋脈沖當(dāng)量 ?M 為：

設(shè)指令脈沖當(dāng)量為 ?L，則電子齒輪的齒輪比為：

其中A和B分別為電子齒輪比的分子和分母，都可以單獨(dú)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)需要設(shè)定的電子齒輪比不是整數(shù)時(shí)，要把齒輪比的分子和分母盡量設(shè)的大一些，以減少系統(tǒng)的誤差。就目前的交流伺服系統(tǒng)而言，齒數(shù)比要滿足下面的限制條件：0.01 ≤ A/B ≤ 100。

3.4機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲桿、頂桿、鋼絲彈簧和梳櫛等組成。滾珠絲杠把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)頂球推動(dòng)頂桿向機(jī)尾運(yùn)動(dòng)，由彈簧鋼絲拉伸向機(jī)頭橫移。有資料證明，滾珠絲杠在導(dǎo)程為 6 mm、滾珠直徑為 3.527 mm、滾珠數(shù)為 46 個(gè)時(shí)傳動(dòng)精度高，使用壽命長(zhǎng)，所以本系統(tǒng)采用上述參數(shù)的滾珠絲杠。頂桿長(zhǎng)度為 490 mm，Karl Mayer（卡爾?邁耶）公司生產(chǎn)的高速經(jīng)編機(jī)均采用這種尺寸的頂桿。經(jīng)計(jì)算對(duì)于 32 針/25.4 mm的機(jī)器，導(dǎo)紗針在針間的偏差僅為 0.003mm。

3.5主軸信號(hào)裝置和光柵反饋裝置

主軸信號(hào)裝置根據(jù)針前、針背、零位的順序發(fā)生觸發(fā)，并發(fā)出橫移使能信號(hào)給控制卡。主軸信號(hào)裝置上安裝有光電編碼器，它檢測(cè)主軸的轉(zhuǎn)速及主軸位置，以使控制卡得到對(duì)應(yīng)的橫移墊紗數(shù)碼，并進(jìn)行相應(yīng)的位置信號(hào)輸出。由于絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器可根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的任一位置輸出一個(gè)固定的、與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼，可精確地得到主軸的位置信息，因而本系統(tǒng)選用絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器作為主軸信號(hào)裝置。

光柵反饋裝置對(duì)梳櫛的實(shí)際位移進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)并反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡，在運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)實(shí)際位移與設(shè)定值相比較確定位置差值，再由控制程序根據(jù)位置偏差值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步確保了梳櫛橫移位置的精度。光柵作為系統(tǒng)的位置檢測(cè)元件，其分辨率和精度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的精度有很大的影響。選擇分辨率高的光柵，提高光柵測(cè)量系統(tǒng)的安裝精度和穩(wěn)定性可以有效提高整個(gè)橫移系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度。

4經(jīng)編機(jī)電子橫移系統(tǒng)的軟件

實(shí)現(xiàn)

4.1上位機(jī)控制程序

上位機(jī)控制程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，借助于高級(jí)編程語(yǔ)言，完成對(duì)系統(tǒng)的通訊、顯示、診斷、花型軟件的輸入、修改、加載以及人機(jī)界面管理，包括文件CAN通訊模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和顯示模塊、文件管理模塊、參數(shù)修改模塊等。

4.2DSP控制程序

DSP控制程序（圖 3）采用了交流伺服電機(jī)常用的空間矢量控制算法，利用DSP的高速數(shù)字處理能力產(chǎn)生PWM（脈沖調(diào)制信號(hào)）波形，包含看門(mén)狗、QEP檢測(cè)模塊、比較和補(bǔ)償模塊、PWM波發(fā)生模塊等?？撮T(mén)狗主要用于系統(tǒng)的掉電檢測(cè)和電機(jī)的保護(hù)；QEP模塊主要采樣收集光柵反饋位置信號(hào)；比較和補(bǔ)償模塊根據(jù)上位機(jī)通訊的指令脈沖和反饋脈沖進(jìn)行比較，進(jìn)而由一定的算法進(jìn)行必要的補(bǔ)償；PWM（脈沖調(diào)制信號(hào)）發(fā)生模塊把經(jīng)過(guò)運(yùn)算和補(bǔ)償后的脈沖進(jìn)行一系列的變換和PI電流調(diào)節(jié)后得到一定方向、頻率和波長(zhǎng)的PWM信號(hào)，以使驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)按一定的轉(zhuǎn)向、速度轉(zhuǎn)過(guò)規(guī)定的角度。

5結(jié)語(yǔ)

基于DSP的經(jīng)編機(jī)用電子橫移系統(tǒng)充分發(fā)揮了DSP控制器超強(qiáng)處理速度的優(yōu)勢(shì)，采用了DSP、交流伺服和高精度反饋光柵等組成的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橫移系統(tǒng)的快速響應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)精確性和運(yùn)行可靠性。